создание дисперсно-упрочненных ферритно

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
Кафедра «Физические проблемы материаловедения»
Лаборатория электромагнитных методов
производства новых материалов №346
СОЗДАНИЕ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ ФЕРРИТНОМАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ СПАРК-ПЛАЗМЕННОГО
СПЕКАНИЯ
Работа выполнена в рамках Проекта ФЦП «Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
Богачев И.А., Чернов И.И., Стальцов М.С., Олевский Е.А., Калин Б.А.
Итоговая конференция ФЦП "Кадры" 2009-2013
Москва 2013
ДУО-стали – перспективный материал энергонапряженной техники
LAB 346
Достоинства дисперсно-упрочненных сталей в
условиях эксплуатации в АЗ реактора:
• Высокая радиационная стойкость;
• Высокая значение жаропрочности за счет
устойчивости упрочняющих частиц в матрице
вплоть до 1300°С;
• Высокая прочность при достаточной
пластичности.
Оптимальный способ производства
дисперсно-упрочненных материалов –
порошковая металлургия.
Электромагнитные методы консолидации
порошков – перспективный и эффективный
метод получения ДУО сталей.
•
•
•
•
•
Технологии консолидации порошковых
материалов:
Горячая экструзия
Горячее и холодное изостатическое прессование
Динамическое и импульсное прессование
Ультразвуковое прессование
Электромагнитные методы прессования
(магнитоимпульсное прессование,
микроволновое спекание, спарк-плазменное
спекание)
Кривые термической ползучести сталей ЭП-450 (1)
и ЭП-450-ДУО (2) при 650 С и  = 140 МПа.
[В.С. Агеев и др., Вопр. ат. науки и техн., 2007]
По данным Journal of Nuclear Materials
за период с 2001 по 2012 гг.
Описание процесса спарк-плазменного спекания
LAB 346
Характерные параметры установки:
•
•
•
•
•
Достоинства технологии SPS:
• Однородность свойств по объему спекаемых
изделий
• Равномерность распределения упрочняющих
частиц
• Минимальный рост зерна (по сравнению с
традиционными методами)
• Контролируемость процесса in situ
• Высокая скорость процесса
Давление до 6 тонн
Максимальный ток 2,5 кА
Напряжение до 10 В
Максимальная температура спекания до 3000 К
Давление в вакуумной камере до 0,1 Па
Механическое легирование
Материал: ферритно-мартенситная сталь
ЭП-450 (12Х13М2БФР)
Исходное состояние:
- порошок в виде шаров размерами от
нескольких мкм до сотен мкм (тип «Ш»);
- порошок в виде чешуек (тип «Ч»).
Упрочнение: наноразмерные частицы Y2O3
(порошок, добавка 0,3-0,5 мас.%)
Размол (механическое легирование):
планетарная шаровая мельница
Время легирования: 5, 15, 30, 40 и 50 ч
•
•
•
•
Стадии процесса:
Измельчение исходной стружки или
гранул стали до 250-400 мкм
Добавление порошка наноразмерного
оксида иттрия
Дегазация и создание инертной
атмосферы
Механическое легирование в течение
определенного периода времени
LAB 346
LAB 346
Морфология порошков после размола
Fe
Y
Cr
Энергодисперсионный анализ
содержания элементов
после 30 ч размола
Размол 40 (а) и 50 (б) часов
Время размола
Исходное
состояние
5ч
15 ч
30 ч
40 ч
50 ч
Средний размер
частиц порошка, мкм
400
20-30
15-25
10-20
10-15
10-15
Режимы спарк-плазменного спекания
LAB 346
Влияние температуры спекания и давления, а так же времени выдержки и скорости
нагрева на конечную плотность изделий
LAB 346
Структура и размер зерна компактов
Характерная микроструктура спеченных образцов ДУО стали
Характерные размеры
структурных элементов, мкм
Агломераты
Большая ось
100-150
Малая ось
30-40
Зерна
5-7
Межагломератная
структура
<1
LAB 346
Изготовление изделий сложной формы и масштабируемость
Цилиндрические образцы с отверстием
Основная цель – спекание трубчатых заготовок для получения особотонкостенных
твэльных трубок реакторов на быстрых нейтронах
Параметры твэлов реакторов
БН-600 и БН-800
Смягчающий
отжиг
H0, мм
D0, мм
t, мм
2550
6,9
0,4
Прокатка/
волочение
Готовое изделие
Параметры образца
H = 31,34 мм
D = 30 мм
d = 6,1 мм
D, d и Н – внешний и внутренний диаметры и высота заготовки соответственно;
H0, D0, t – высота, диаметр и толщина твэльной трубки соответственно;
Моделирование процесса спекания: распределение температуры
Простой образец
Трубчатый образец
LAB 346
Заключение
LAB 346
•
Спарк-плазменное спекание порошков матричной стали и дисперсных
упрочняющих оксидов может являться эффективным методом изготовления
реакторных ДУО сталей.
•
Морфология частиц порошка оказывает значительное влияние на размер зерна
спеченных образцов и распределение дисперсных оксидов.
•
Оптимизация стадии механического легирования позволяет получать более
равномерное распределение упрочняющих частиц в матрице, большую плотность
компактов и меньшую пористость.
•
Оптимизация параметров спекания позволяет повысить конечную плотность
изделий вследствие регулирования интенсивности протекающих при спекании
процессов.
•
Спарк-плазменное спекания ДУО сталей с последующей технологической
обработкой может быть эффективным методом создания твэлов и других узлов и
деталей реакторов на быстрых нейтронах, а так же ВВЭР-СКД.
Thank you for attention!